錢曉麗，吳　姍

(1.廣州航海學(xué)院 航務(wù)工程學(xué)院,廣東 廣州 510725;2.漳州市路達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 漳州 363000)

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真空預(yù)壓加固淤泥土的室內(nèi)試驗(yàn)

錢曉麗1，吳姍2

(1.廣州航海學(xué)院 航務(wù)工程學(xué)院,廣東 廣州 510725;2.漳州市路達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 漳州 363000)

摘要：真空預(yù)壓法加固后，土體的固結(jié)效果因深度不同有很大差異。為了探究真空預(yù)壓法使排水板內(nèi)真空傳遞過程中發(fā)生不同程度真空度損失的原因，實(shí)地選取淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行土體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：加固區(qū)周圍土體對排水板內(nèi)真空度傳遞存在阻礙作用，這種阻礙作用可以通過對排水板進(jìn)行密封處理而得到一定程度的減弱；另外，砂墊層對加固土體表層的十字板剪切強(qiáng)度影響很大，但對于表層以下土體的影響則很小，這種影響使得表層加固土體的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他部位的土體。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；室內(nèi)試驗(yàn)；密封處理；砂墊層

0引言

隨著真空預(yù)壓技術(shù)的迅速普及，對真空預(yù)壓的研究也快速展開。文獻(xiàn)[1]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了分層插板真空預(yù)壓對真空度傳遞的影響，測定了應(yīng)力路徑的改變對加固后的地基土體沉降量的影響。文獻(xiàn)[2]通過吹填土的室內(nèi)沉淤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對吹填土進(jìn)行真空排水預(yù)壓法處理后所產(chǎn)生的沉降，包含由吹填土自身沉淤所產(chǎn)生的一部分沉降。文獻(xiàn)[3]通過對吹填土進(jìn)行室內(nèi)模型箱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：排水板的彎折對真空預(yù)壓固結(jié)效果和土體強(qiáng)度有一定的影響，通過二次插板可以使土體強(qiáng)度增大。文獻(xiàn)[4]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻砂的土體沉降量大于沒有摻砂的土體，并且摻入粗砂的土體沉降量比摻入細(xì)砂的土體高。文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)：抽真空時(shí)加固區(qū)土體內(nèi)的地下水位變化量與真空度、周圍水源補(bǔ)給情況以及土體滲透系數(shù)等因素密切相關(guān)。文獻(xiàn)[6]通過對重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：真空預(yù)壓下重塑土的水平滲透系數(shù)與涂抹區(qū)的滲透系數(shù)之比，與現(xiàn)場原位測試得出的數(shù)值有很大差距。文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)涂抹區(qū)的半徑大小與含水量的改變大小密切相關(guān)。

真空預(yù)壓過程中，砂墊層中的真空度由排水板頂部傳遞到其底部，大部分學(xué)者都同意在傳遞過程中伴隨真空度損失，即井阻作用，但對于損失的大小則存在不同的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為排水板井阻的不同，主要源于排水板自身的材性，但事實(shí)上加固區(qū)土體也會(huì)對井阻大小產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[9]提出了一種新型防淤堵排水板，可有效減少真空度的沿程損失。

當(dāng)真空預(yù)壓中的地基達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后停止加載，對加固區(qū)土體進(jìn)行加固效果檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)：僅僅表層土體的抗剪強(qiáng)度達(dá)到了要求；而地表5 m以下的土體，其抗剪強(qiáng)度提高效果則不夠理想，并且這種現(xiàn)象無法通過延長真空預(yù)壓作用時(shí)間而得到明顯改善。5 m以下土層對地基承載能力有著重要的影響，但目前對真空預(yù)壓加固效果不均勻現(xiàn)象的研究卻相對不足。

為了進(jìn)一步揭示土體性質(zhì)對排水板井阻作用的影響及加固區(qū)土體加固效果分布不均勻的主要原因，本文建立了假設(shè)模型并進(jìn)行真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中對土體內(nèi)部的孔隙水壓力和排水板內(nèi)真空度進(jìn)行監(jiān)測記錄，并在試驗(yàn)后取得十字板強(qiáng)度和含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)據(jù)。

1室內(nèi)微觀組織試驗(yàn)

微觀試驗(yàn)采用美國科視達(dá)(QUESTAR) 公司生產(chǎn)的QM-100型顯微鏡，試驗(yàn)中使用的放大倍數(shù)統(tǒng)一為50倍。試驗(yàn)觀察時(shí)，將土體裝入透明容器中以便對準(zhǔn)焦距，并保證土樣周圍有充足的光線。

利用顯微鏡對烘干前的淤泥土進(jìn)行微結(jié)構(gòu)觀察，如圖1所示。圖1中很難觀察到孔隙的存在，顆粒排列均勻且緊密，可見孔隙水在淤泥土中滲流排出是相當(dāng)困難的。

圖1　烘干前的淤泥土土樣照片(50倍)

為了進(jìn)一步分析，用顯微鏡觀察烘干后的淤泥土和粗砂，結(jié)果見圖2和圖3。

從圖2可看出：由于烘干作用，淤泥土已變得十分干燥，但土體排列仍然十分緊密，這說明原淤泥土中孔隙水含量特別高。對比圖2與圖3可以看出：淤泥土顆粒之間的間隙遠(yuǎn)小于砂粒之間的間隙，由此可以解釋淤泥土的滲透系數(shù)總是遠(yuǎn)小于粗砂的滲透系數(shù)。

圖2 烘干后的淤泥土土樣照片(50倍)圖3 烘干后的粗砂土樣照片(50倍)

2室內(nèi)模型試驗(yàn)

將部分排水板段進(jìn)行密封以達(dá)到與土體隔離的效果，觀察該處理方法對排水板內(nèi)真空度的影響。通過將排水板上部進(jìn)行密封來排除這部分板內(nèi)真空度對土體的影響，單獨(dú)考慮砂墊層對表層土體抗剪強(qiáng)度的影響。對加固過程中排水板內(nèi)真空度以及土體內(nèi)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，加固結(jié)束后測量不同深度的含水量與十字板剪切強(qiáng)度。

2.1　試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣在福州市閩侯縣施工現(xiàn)場獲取，利用挖掘機(jī)將距離表層3 m以下的淤泥土挖出，經(jīng)過計(jì)算以后利用砂漿攪拌機(jī)摻水?dāng)嚢璜@得，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1　土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯摪逑淙鐖D4所示，其尺寸為1.1 m×1.1 m×1.5 m(長×寬×高)。

填入模型箱中的淤泥土的高度為0.9 m，其總體積為1.0 m×1.0 m×0.9 m。在土體中打設(shè)的排水板采用正方形布置，其間距均為30 cm。在淤泥土中埋設(shè)的真空表探頭和孔隙水壓力計(jì)探頭的埋設(shè)位置是相同的，豎向采用與淤泥土上表面距離為25 cm、50 cm和75 cm的3種布置方法，橫向采用距離中心排水板10 cm和15 cm的兩種布置方式。

將位于淤泥土表面以下40 cm的塑料排水板段用聚氯乙烯膜密封，以30 cm為間隔、距離鋼板邊緣20 cm的布置方式插入淤泥土體內(nèi)，然后鋪上砂墊層并鋪設(shè)好用土工布處理過的排水濾管，如圖5所示。

正中心的排水板中也埋設(shè)有真空表探頭，用以監(jiān)測真空度從排水濾管到排水板之間的傳遞情況，最后用聚氯乙烯膜配合玻璃膠對砂墊層表面進(jìn)行密封處理并開始抽真空。

圖4 模型鋼板箱平面圖(cm)圖5 模型鋼板箱照片

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　膜下和排水板內(nèi)真空度

在室內(nèi)模型抽真空過程中，膜下和排水板內(nèi)真空度隨時(shí)間的變化趨勢一致，如圖6所示。在抽真空開始階段，膜下真空度迅速達(dá)到了75 kPa，經(jīng)過15 h的抽真空過程，膜下真空度逐漸由初始的75 kPa增長到82 kPa，并在其后的抽真空過程中一直穩(wěn)定在這個(gè)數(shù)值。

圖6　膜下和排水板內(nèi)真空度

而排水板內(nèi)真空度，雖然與膜下真空度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，但數(shù)值上有著一定的差異。距離加固土體表面25 cm處的板內(nèi)真空度與膜下真空度的差值一直穩(wěn)定在2 kPa左右，這主要是由于30 cm厚的砂墊層對真空度的傳遞產(chǎn)生了影響并使其產(chǎn)生了消耗所致；其次，距離表面50 cm和75 cm處的板內(nèi)真空度略有衰減，其衰減值約為1 kPa；最后，距離土體頂部25 cm和50 cm處的板內(nèi)真空度數(shù)值在真空預(yù)壓階段基本保持相同，損失難以辨別。可見，排水板頂部40 cm長的密封膜對真空度的傳遞損失起到一定的抑制作用，而排水板段周圍的土體對真空度在排水板內(nèi)的傳遞產(chǎn)生了明顯的阻礙作用。

排水板周圍土體之所以會(huì)對其內(nèi)部真空度傳遞產(chǎn)生阻礙，是因?yàn)橥馏w內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大了真空度的傳遞范圍。由于真空度在排水板內(nèi)的傳遞速度大大高于在土體內(nèi)的速度，可以認(rèn)為真空度傳遞到排水板底部是瞬時(shí)完成的，當(dāng)用聚氯乙烯膜將排水板進(jìn)行密封處理后，真空度瞬時(shí)需要傳遞的空間即為板內(nèi)原來具有的空間。當(dāng)沒有密封膜時(shí)，由于周圍土體中存在孔隙，使得真空度在瞬時(shí)需要傳遞的空間得到了擴(kuò)大。

由于需要傳遞的空間擴(kuò)大了，造成了真空度在傳遞過程中更多的損失，從而增加了真空度在排水板內(nèi)傳遞的井阻作用。

3.2　加固區(qū)土體內(nèi)孔隙壓力

真空預(yù)壓加固過程中，對距離排水板相同距離但不同深度處的土體孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測記錄，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出：任意監(jiān)測深度處的負(fù)超靜孔隙水壓力(負(fù)超孔壓)都呈現(xiàn)出先增長后穩(wěn)定的趨勢。在前20 h內(nèi)孔隙水壓力的變化尤為顯著，但這之后，其變化速率顯得非常緩慢，25 cm深度處負(fù)超孔壓從20 kPa升至30 kPa，用了約300 h。

距離加固土體表面25 cm和50 cm深度處的土體，其負(fù)超孔壓的數(shù)值相當(dāng)接近。而75 cm深度處的土體中，負(fù)超孔壓的數(shù)值就明顯小于前兩者。由于25 cm深度處于密封膜的影響范圍內(nèi)，足以說明在25 cm深度內(nèi)負(fù)超孔壓主要是由于砂墊層的真空度傳遞作用產(chǎn)生的。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn)：真空預(yù)壓中負(fù)超孔壓是隨著深度的增加而增大的。本次試驗(yàn)由于密封膜的關(guān)系，25 cm深度處負(fù)超孔壓并沒有較50 cm深度處高，雖然如此，但25 cm深度處的負(fù)超孔壓也達(dá)到了較高水平，可見砂墊層對土體內(nèi)部的真空度傳遞促進(jìn)效果還是相當(dāng)顯著的。

3.3　加固后含水量

加固完成后對加固土體不同深度的含水量進(jìn)行測量，結(jié)果如圖8所示。

圖7 不同深度孔隙水壓力的變化 圖8 土體不同深度含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由圖8可以看出：在10 cm深度以上的表層土體，其含水量是比較低的，平均為50.00%；但10 cm深度以下的土體中含水量就開始快速上升，在30 cm深度處達(dá)到最高。

另外，取砂墊層下表面、50 cm和60 cm深度處的排水板周邊土體進(jìn)行含水量測定，結(jié)果分別為47.48%、46.73%和46.54%?？梢娫谂潘到y(tǒng)周圍的土體含水量都十分相近，由此推測排水板周圍的淤堵情況可能同樣出現(xiàn)在砂墊層下表面處。

圖9　不同深度土體剪切強(qiáng)度

3.4　加固后十字板剪切強(qiáng)度

采用由英國ELE公司生產(chǎn)的H-60型十字板剪切儀進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)。十字板剪切測量以10 cm為間隔，從0 cm到60 cm一共取7個(gè)位置進(jìn)行測量。在剛剛填鋪完淤泥土?xí)r，用十字板測量的土體剪切強(qiáng)度幾乎為0 kPa。待抽真空結(jié)束以后，不同深度處的剪切強(qiáng)度如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn)：剪切強(qiáng)度在土體上表面達(dá)到最高值，在20 cm深度處最低。由于這一位置正好是密封膜的正中央處，說明表層土體強(qiáng)度如此之高與排水板的關(guān)系不大。另外，真空度雖然在排水板內(nèi)傳遞過程中有所損失，但損失量很小，不足以造成如此大的剪切強(qiáng)度差。所以，這種固結(jié)效果不均勻的現(xiàn)象主要還是因?yàn)樯皦|層本身的排水作用造成的。

從不同深度的十字板剪切強(qiáng)度可以看出：雖然在4 cm的密封段真空度傳遞效果明顯，負(fù)超孔壓數(shù)值上升比深層土體略高，但加固效果卻并不理想。造成這種現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)：(1)加固土體表層的孔隙水排出較快，使得表層土體孔隙比大大減小，在砂墊層和加固土體之間形成了淤堵；(2)當(dāng)孔隙水要向上往砂墊層方向流動(dòng)排出時(shí)，需要克服孔隙水本身固有的重力因素，這就使得滲流排出效率進(jìn)一步降低。

4結(jié)論

(1)加固區(qū)土體會(huì)對排水板內(nèi)真空度傳遞產(chǎn)生一定的阻礙作用，而將排水板進(jìn)行密封處理可以減少由此產(chǎn)生的井阻效應(yīng)。

(2)當(dāng)排水板產(chǎn)生嚴(yán)重淤堵時(shí)，會(huì)對周圍土體的真空度傳遞產(chǎn)生影響，使其內(nèi)部負(fù)超靜孔隙水壓力降低。

(3)砂墊層對加固區(qū)淺層土體內(nèi)的真空傳遞效果影響很大，淺層土體也因此存在著較高的負(fù)超孔壓。

(4)由于孔隙水在重力作用下不易垂直向上流動(dòng)，砂墊層僅僅對加固土體的表層加固效果有著重大的影響，而對稍微深一些的淺層土體，加固效果則非常不理想。

(5)模型尺寸已充分考慮到了邊界效應(yīng)，且邊界密封條件一致，可認(rèn)為原型與模型同樣置于無限大范圍的地基上。工程中使用真空預(yù)壓法處理較大地基面積，能取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。

(6)上部排水板部分密封可有效減少真空度損失，該方法可為工程實(shí)際提供借鑒。

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DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.015

文章編號：1672-6871(2016)02-0072-06

收稿日期：2015-01-26

作者簡介：李心平(1973-),男,山西定襄人,副教授,博士,主要從事農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)方面的研究.

基金項(xiàng)目：國家“十二五”科技支撐計(jì)劃縱向延伸基金項(xiàng)目(2011BAD20B10)；NSFC-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1204514)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TU472